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航天航空

NX TMG 空间系统热分析

文字:[大][中][小] 2016-6-23    浏览次数:989    

航空航天行业特点


航空航天工业是国家的技术前沿和骨干行业,其产品开发和制造技术水平,不仅是质量和效率的保障,更是国家实力和形象的象征。当前,数字化技术已经成为全球航空航天工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。在国内,CAD/CAM的成功应用也证明了数字化技术的巨大价值。所谓CAE技术,也就是通过数字化手段,分析验证产品的性能、安全性和可靠性,是产品研发和制造数字化技术的核心。Abaqus是国际著名的CAE软件,它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。航空航天工业是Abaqus最重要的应用领域之一,波音、空中客车、洛克希德-马丁等长期合作的用户。对航空航天很多复杂和特殊的问题,如疲劳断裂、复合材料损伤、起落架柔性机构、接触连接、金属塑性等,在所有的CAE软件中,Abaqus是最有优势的。


航空航天飞行器高精尖的工作性能决定了结构设计及其复杂。飞行任务的特殊性决定了工作环境的恶劣。因此应用CAE分析软件要求可靠、安全稳定、功能适用和针对航空航天行业,具有丰富的航空航天行业应用经验等。Abaqus以其卓越的产品质量得到了业界的广泛认可。除了通过ISO9001认证和Nuclear QA认证之外,还被美国食品药品管理局(FDA)作为医疗器械分析的推荐分析工具。


就我国目前状况,国家职能部门正在大力推进航空航天工业数字化工程,目的在于通过整合和充分利用现有条件,借鉴国内外先进的数字化技术和管理模式,开展技术攻关,基本打通飞行器研制的数字化设计、试验、制造和管理生产线,初步创建数字化工作、技术和保障基本体系,形成全机数字样机研制和典型数字化部件的工程研制能力,大幅度地缩短型号研制周期,减少研制费用,降低生产成本,提高产品质量,增强竞争力。在此基础上,竟以补充和完善数字化生产线和数字化体系,具备在新一代飞行器研制生产中实施数字化设计、试验、制造和管理的工程能力,从根本上改变现行的设计、试验、制造和管理模式、手段和方法,实现数字化生产方式的变革。


实现数字化后,在设计阶段,数字样机将取代实物样机,数字化试验将成飞行器系统的主要设计方式。由于设计上的数字化,可以实现快速多学科、多目标的优化,设计出最佳的飞行器方案,建立起世界一流的虚拟开发环境。制造业数字化是航空航天工业信息化的重要发展方向,是信息化带动工业化的重要举措,是全面振兴行业的重要内容。飞行器制造业数字化工程的实施,将有力推动我国传统制造业生产方式的变革,从根本上改变我国现行的飞行器设计、制造、试验和管理模式。从方法和手段入手,实现我国航空航天事业的跨越发展。


航空航天是Abaqus软件的重要应用领域,该行业的收入约占Abaqus公司年度总收入的三分之一。目前所有大的飞机制造企业如波音、空中客车、洛克希德—马丁、NASA、Los Alamos 和Sandia国家实验室,中国航空601、602、603、611、624、625等,航天1、2、3、4、6院等,以及成飞等,都是Abaqus软件的重要用户。波音更是将其专利的VCCT(虚拟裂纹闭合技术)嵌入Abaqus软件中,进行断裂问题的求解。Abaqus软件公司始终注重航空航天领域用户和技术的发展,近期很多研发方面的决策都是针对航空航天领域的,如大规模杆板模型的发展、断裂力学和气动弹性分析和Abaqus对CATIA的嵌入式产品(Abaqus/AFC)等。


NX TMG 空间系统热分析


航天系统热分析的必要性


1.  工作期间长且维修不易


2.  太空环境恶劣,真空,低温, 太阳辐射强


3.  可靠度要求高


4.  卫星负载与来愈高,能量需求也逐渐增多, 热控系统愈来愈复杂


5.   实验验证困难度高


传统有限元技术应用于航天热分析的优缺点


优点


1.利用仿真技术模拟实验,具有周期短, 耗费低的优点,经过长期的经验证实, 热分析结果可靠度高


2.设计初期即发现问题及时改善


缺点


1.网格划分技术要求较高, 对于复杂的模型网格划分将非常困难, 网格划分的不合理将导致计算结果不可靠或是无法计算。


2.航天系统的热分析边界条件定义困难, 一般有限元分析法不能进行人造卫星及轨道热分析,  且处理辐射问题比较单一及繁琐。


NX热流分析介绍




NX 热流分析产品架构


工业应用型分析模块


泛用型热流分析模块




NX 在CFD与热传分析应用领域




NX Space Systems Thermal




与NX完全整合的操作环境


用户可以在NX环境下创建多个解决方案,并对于给定的有限元分析拖放仿真组件指定热分析边界条件(轨道及耦合等.) 瞬态分析结果检视自动生成报告



可求解稳态与瞬时热传


可同时偶合传导, 对流与辐射分析


可将不连续网格进行热耦合


可以瞬时控制热源变化


自动求解热流耦合现象


线性或非线性材料参数


线性或非线性边界条件


NX Advanced Thermal– 高级热分析求解器


NX Thermal的附加模块


加热器自动控制


可设定进阶光学性质


蒙地卡罗法计算辐射热传


可进行太阳辐射分析


可设定辐射热源


可设定非灰体辐射


辐射可以传导及对流耦合


制冷芯片


焦耳热传


可建立一维管流模型


多层薄壳材料设定


烧结碳化分析


用户自定程序


并行计算



NX Flow– 流体分析求解器


有限体积计算核心


可解稳态与瞬时分析


完整Navier Stoke 方程式求解


可解内外流场


可自动耦合不连续网格


可自动局部网格修正及边界层网格修正


可进行多孔介质设定


线性或非线性流体边界条件


NX Advanced Flow– 高级流体分析求解器


NX Flow的附加模块


可计算高速可压缩流体


非牛顿流体(黏滞流)


更多紊流模式(SST, k-W, etc)


RFR与MRF 旋转流体


可进行刚体静态运动,如滑动, 转动等


可进行风扇驱动 流量控制


粒子流及质传分析


烟雾, 颗粒


粒子沉积追踪


循环对称及周期性边界条件




多孔界质分析


湿度及凝结现象分析


室内空调舒适度分析




人造卫星相关基础知识


天球坐标



卫星轨道参数


常用卫星轨道


地球同步轨道(Geosynchronous Orbit)


太阳同步轨道(Sun-synchronous Orbit)


极地轨道(Polar Orbit)


近地球轨道 (Low Earth Orbit)




太空变轨


太空变轨意即『在太空中改变飞行轨道』,卫星发射公司的运载火箭,


通常只负责把卫星从地面发射至近地轨道(200公里高),作为停泊轨道


(Parking Orbit)。若要让通讯卫星在地球同步轨道(Geosynchronous


Orbit) (35,786公里)上运行操作,就需要把飞行轨道从运行中的停泊轨


道推高至地球同步轨道,那便需作太空变轨行动。



轨道热的三种型式


Direct solar radiation


Albedo


Planet IR




NX SST 用于航天系统的解决方案特色



强大的辐射分析能力


辐射效应占航天系统分析中很重要的一环,NX可依照物体表面颜色、透明度、粗糙度给予不同的光学设定,依据这些设定能仿真辐射在物体表面的吸收、反射与折射效应。




多层板单元


TPS多层热载保护系统可以一层二维单元来建模, 节省建模与计算时间各层材料间可以自动根据迭层厚度与传导性计算热传导顶部与底部可以用热耦合的方式与其他几何对象连接支持非等向性与温度相关材料


Shells in model


TPS layers


可跟对各层材料个别显示后处理结果



瞬态刚体运动,平移及旋转接头, 轨道追踪,定向父子接头关系, 可以模拟复杂刚体运动角系数与辐射热通量随时间而变化。



自旋效应


仿真刚体旋转对物体产生的效应


旋转速度远高于热传速度



自由分子热


计算低轨道卫星载高速运动时


与稀薄空气摩擦所产生的热量



焦耳热


仿真电流或电压产生的热效应



利用Peltier效应来移走热能。当直流电输入热电芯片时,热会被致冷芯片由一端传到另一端,形成一边热一边冷的现象。由于热电芯片藉由输入端的电量决定冷端的热吸收量,能精准的控制温热源温度,又不受外界热源影响。



卫星轨道建构与辐射热


计算各位置之太阳辐射


卫星在轨道的位置


卫星姿态


简易的卫星轨道建构方式


轨道六参数


同步卫星


太阳同步


完整的轨道力学参数设定


可视化



太阳辐射计算在星球特定位置下随时间变化的太阳辐射照射量。



热耦合Thermal Coupling连接网格不连续的区域包含传导,对流, 辐射等形式可自动侦测耦合区域或是手动设定

辐射热源



可模拟灯丝,电热器


辐射方向可设定为散射或直射



材料辐射表面特性灰体或非灰体设定辐射特性与温度相关发射率, 反射率,  穿透率。



非灰体辐射热辐射能量与波长有关, 有些只能发射某些波长的辐射热。



材料热属性的覆盖可在分析边界条件中暂时覆盖掉原本的材料热属性不需修改材料参数即可进行参数研究。



辐射模型的交换  (Import/Export)



NX Space Systems Thermal :  求解选项



高效且稳定的求解器NX求 解 器 使 用 源 于NASA 的TMG求解器,其特性除了高精凖、高效率、高可靠度外,拥有多种标准设置供使用者判断收敛与守恒情况。  DMP功能允许多部各人计算机串联,且免费支持八核心平行运算,使得计算时间可大幅缩短。



多重物理场分析


1.  整合性


•    整合多种力学求解器


2.  网格结果映射


•    流固耦合


•    热固耦合


3.  统一的前后处理器


•    相同操作方式


•    无需重建网格


•     多重物理场后处理


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